專(zhuān)利名稱(chēng)：利用離聚合物阻礙隆起區(qū)中的膜翹曲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池組件，更具體地涉及膜燃料電池組件中所用的下墊圈 (subgasket)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)逐漸作為多種應(yīng)用中的電源。已提出使用燃料電池系統(tǒng)作為內(nèi)燃機(jī) 的替代品用在車(chē)輛之類(lèi)的能耗設(shè)備中。在共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/418,536中 公開(kāi)了這樣的系統(tǒng)，這里通過(guò)引用將其整體結(jié)合于此。燃料電池還可用作建筑物和住所中 的固定發(fā)電站，作為攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)等中的便攜電源。通常，燃料電池所發(fā)的電用于對(duì)電池 充電，或者為電機(jī)提供動(dòng)力。 燃料電池是使氫之類(lèi)的燃料與氧化劑(例如氧)結(jié)合以產(chǎn)生電的電化學(xué)裝置。所 述氧通常由空氣流供應(yīng)。氫和氧結(jié)合而形成水的形式?？墒褂闷渌剂?，例如天然氣、甲醇、 汽油和煤成合成燃料。 術(shù)語(yǔ)"燃料電池"通常根據(jù)應(yīng)用該術(shù)語(yǔ)的上下文而用于指單個(gè)電池或多個(gè)電池。多 個(gè)電池通常捆扎在一起，并且布置成形成具有多個(gè)通常電串聯(lián)布置的電池的電池組。由于 多個(gè)單個(gè)的燃料電池可裝配成不同尺寸的組，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成產(chǎn)生期望能量輸出水平而為 不同應(yīng)用提供設(shè)計(jì)柔性。 普通類(lèi)型的燃料電池被稱(chēng)為質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池。PEM燃料電池包括布置 在一對(duì)雙極板之間的組合電極組件(UEA) 。 UEA包括陽(yáng)極和陰極擴(kuò)散介質(zhì)(匿)、陽(yáng)極和陰極 電極以及電解質(zhì)膜。UEA部件的順序?qū)τ谌剂想姵夭僮鱽?lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。部件順序依次為陽(yáng) 極匿、陽(yáng)極電極、電解質(zhì)膜、陰極電極和陰極匿。陰極電極和陽(yáng)極電極通常包括承載在碳顆 粒上并與離聚合物混合的催化劑粉末，例如鉑。電解質(zhì)膜可抵靠勾勒燃料電池板外周的下 墊圈布置。根據(jù)需要，所述下墊圈可以是具有電絕緣屬性的剛性膜。DM利于將氣態(tài)反應(yīng)物 (通常為氫和氧)輸送至由UEA的下墊圈的內(nèi)邊緣限定的活性區(qū)，以進(jìn)行電化學(xué)燃料電池 反應(yīng)。DM還輔助燃料電池內(nèi)的水副產(chǎn)物的管理。下墊圈將燃料電池分為陽(yáng)極側(cè)和陰極側(cè)， 并使陽(yáng)極側(cè)與陰極側(cè)電絕緣。下墊圈上布置的密封部阻止氣態(tài)反應(yīng)物逃離燃料電池?？蓪?UEA部件層壓在一起而形成UEA。 UEA布置在成對(duì)的雙極板之間，這些雙極板用作燃料電池的集電器。各雙極板均 具有端口和供送區(qū)，用于氣態(tài)反應(yīng)物的供應(yīng)和排放。供送區(qū)用于在燃料電池內(nèi)分配氣態(tài)反 應(yīng)物或收集氣態(tài)反應(yīng)物。供送區(qū)包括供應(yīng)端口，其使氣態(tài)反應(yīng)物經(jīng)由雙極板中的多個(gè)通道 形成的流場(chǎng)從供應(yīng)歧管分配至燃料電池的活性區(qū)。雙極板的對(duì)置端或出口端具有排放供送 區(qū)，其包括排放端口 ，收集到的氣態(tài)反應(yīng)物在該排放端口離開(kāi)燃料電池進(jìn)入排放歧管。下墊 圈可用于提供雙極板之間的電絕緣。在供送區(qū)的范圍內(nèi)，下墊圈的剛度是在多個(gè)流動(dòng)通道 與下墊圈之間形成適當(dāng)界面的重要因素。下墊圈必需足夠剛硬以阻止下墊圈侵入從而限制 形成供送區(qū)的多個(gè)通道中的流動(dòng)。 可包含不止一百個(gè)板的組被壓縮，并通過(guò)任何傳統(tǒng)緊固裝置將元件保持在一起并錨固至該組的端部的夾緊板。為阻止流體的不期望泄漏，將密封部壓縮在板組件之間。密
封部沿下墊圈兩側(cè)的外周緣布置并可與下墊圈一體形成。通過(guò)利用組壓縮以及板中形成的
臺(tái)階部而固定UEA，所述臺(tái)階部與UEA的密封部相對(duì)應(yīng)?，F(xiàn)有技術(shù)下墊圈結(jié)合了從燃料電池
的活性區(qū)橫穿密封部具有恒定厚度的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有技術(shù)下墊圈盡管是功能性的，但是也會(huì)以
多種方式導(dǎo)致燃料電池的壽命縮短。與膜的厚度相比，現(xiàn)有技術(shù)下墊圈可能較厚(厚下墊
圈)。厚下墊圈與膜之間的厚度反差可能會(huì)導(dǎo)致局部高壓應(yīng)力區(qū)。局部高壓應(yīng)力區(qū)可導(dǎo)致
DM被壓碎，陽(yáng)極或陰極破裂，板變形以及電解質(zhì)膜的剪切，任一項(xiàng)都會(huì)導(dǎo)致燃料電池的壽命
縮短或者導(dǎo)致其性能變差。另選的是，與膜的厚度相比，現(xiàn)有技術(shù)下墊圈可能較薄(薄下墊
圈)。薄下墊圈與膜之間的小厚度反差會(huì)因反應(yīng)氣體流而導(dǎo)致下墊圈過(guò)度撓曲。 通常，UEA過(guò)壓縮或UEA欠壓縮都會(huì)導(dǎo)致膜的壽命縮短。膜的鼓起會(huì)致使UEA過(guò)壓
縮或UEA欠壓縮。電解質(zhì)膜要求燃料電池內(nèi)具有一定濕度水平以正確操作。預(yù)計(jì)燃料電池
啟動(dòng)或關(guān)閉時(shí)，為了燃料電池的最佳性能，可根據(jù)需要改變濕度水平。燃料電池內(nèi)的膜可吸
水，致使膜的尺寸隨濕度變化。相反，下墊圈在濕度變化的情況下維持優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。
具體地說(shuō)，厚下墊圈與燃料電池中的電解質(zhì)膜的接觸邊緣處的膜的反復(fù)膨脹和收縮會(huì)致使
燃料電池壽命縮短。 由于膜的膨脹以及形成UEA所用的制造過(guò)程可引起過(guò)壓縮。膜的膨脹會(huì)影響膜的 長(zhǎng)度、寬度和厚度。由于膜的厚度因膨脹而增大可引起UEA過(guò)壓縮。膜的厚度因膨脹而逐 漸增大產(chǎn)生橫過(guò)UEA的壓縮載荷變化。橫過(guò)UEA的壓縮載荷變化在下墊圈內(nèi)邊緣處產(chǎn)生應(yīng) 力集中。下墊圈內(nèi)邊緣處的應(yīng)力集中不利地影響膜的壽命。此外，膜的厚度因膨脹而增大 會(huì)在下墊圈區(qū)域中增大UEA上的壓縮載荷，引起雙極板和相鄰匿的永久變形。
在下墊圈內(nèi)邊緣附近的隆起區(qū)可能發(fā)生欠壓縮。隆起區(qū)是下墊圈邊緣附近的UEA 區(qū)域，在該區(qū)域作用于膜上的壓縮載荷顯著減小或消除。匿可用于橋接由下墊圈的內(nèi)邊緣 厚度形成的臺(tái)階。DM可柔性順應(yīng)由下墊圈的內(nèi)邊緣厚度形成的臺(tái)階，從而產(chǎn)生位于隆起區(qū) 內(nèi)的楔形跨度。當(dāng)膜潮濕時(shí)，膜的長(zhǎng)度和厚度會(huì)增大。潮濕的膜有可能膨脹到隆起區(qū)內(nèi)。作 為UEA欠壓縮的后果，膜有可能會(huì)翹曲。膜的翹曲可致使形成于其上的陽(yáng)極電極和陰極電 極其中之一碎裂。 期望制造一種具有下墊圈的燃料電池用UEA，其中由膜的濕度變化引起的膜上的 應(yīng)力效應(yīng)被最小化，從而延長(zhǎng)UEA的工作壽命。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)前，通過(guò)本發(fā)明的設(shè)置，令人驚奇地發(fā)現(xiàn)一種具有下墊圈的燃料電池用UEA，其 中由膜的濕度變化引起的膜上的應(yīng)力效應(yīng)被最小化，從而延長(zhǎng)UEA的工作壽命。
在第一實(shí)施方式中，一種燃料電池用組合電極組件包括電解質(zhì)膜；布置在所述 電解質(zhì)膜附近的下墊圈；以及布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜附近的密封緣(sealing bead)，所述密封緣適于阻礙所述電解質(zhì)膜在燃料電池操作期間的撓曲。 在另一實(shí)施方式中，一種燃料電池用組合電極組件包括電解質(zhì)膜；布置在所述 電解質(zhì)膜附近的下墊圈；擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì)具有布置在所述電解質(zhì)膜附近的第一部分 以及布置在所述下墊圈的一部分附近的第二部分；以及布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜 附近的密封緣，所述密封緣適于通過(guò)填充所述擴(kuò)散介質(zhì)、所述密封緣與所述下墊圈之間的
5空隙而阻礙所述電解質(zhì)膜在燃料電池操作期間的撓曲。 在再一實(shí)施方式中，一種形成燃料電池用組合電極組件的方法，該方法包括以下 步驟設(shè)置電解質(zhì)膜；設(shè)置布置在所述電解質(zhì)膜附近的下墊圈；設(shè)置擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì) 具有布置在所述電解質(zhì)膜附近的第一部分以及布置在所述下墊圈的一部分附近的第二部 分；設(shè)置布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜附近的密封緣，所述密封緣適于阻礙所述電解 質(zhì)膜在燃料電池操作期間的撓曲；以及熱壓制組裝起來(lái)的膜、下墊圈、擴(kuò)散介質(zhì)和密封緣， 其中在熱壓制期間通過(guò)所述密封緣填充由組裝起來(lái)的膜、擴(kuò)散介質(zhì)和下墊圈產(chǎn)生的空隙。


結(jié)合附圖進(jìn)行考慮，本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明實(shí)施方式的以下詳細(xì)說(shuō)明將很容易 清楚本發(fā)明的上述及其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中 圖1是本領(lǐng)域公知的示例性燃料電池組的分解立體圖； 圖2是圖1中所示的示例性組合電極組件的分解立體圖； 圖3是沿線(xiàn)3-3剖取的圖2中所示的組合電極組件的局部側(cè)剖視圖； 圖4是圖3中所示的組合電極組件的局部側(cè)剖視圖，示出電解質(zhì)膜處于潮濕翹曲
狀態(tài)； 圖5是根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施方式的組合電極組件的局部側(cè)剖視圖；以及
圖6是根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施方式的組合電極組件的局部側(cè)剖視圖。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說(shuō)明和附圖描述并圖示本發(fā)明的各種實(shí)施方式。這些說(shuō)明和附圖用于使 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造并使用本發(fā)明，而不意圖以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
圖1示出了說(shuō)明性的燃料電池組IO，其具有通過(guò)導(dǎo)電雙極板14而相互分開(kāi)的一 對(duì)UEA 12。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在圖1中僅示出并描述了兩電池組(即，一個(gè)雙極板)，應(yīng)理解典 型燃料電池組10具有更多個(gè)這樣的電池和雙極板。 UEA 12和雙極板14在一對(duì)夾緊板16、 18以及一對(duì)單極端板20、22之間疊置在一 起。夾緊板16、18通過(guò)密封件或介電涂層(未示出)與端板20、22電絕緣。單極端板20、 雙極板14的兩個(gè)工作面以及單極端板22包括相應(yīng)的活性區(qū)24、26、28、30?；钚詤^(qū)24、26、 28、30是用于分別在UEA 12的陽(yáng)極和陰極上散布?xì)錃夂涂諝庵?lèi)的氣態(tài)反應(yīng)物的典型流 場(chǎng)。 雙極板14通常由成形金屬板材的傳統(tǒng)加工過(guò)程形成，例如壓印、機(jī)加工、模制或 者通過(guò)例如光刻掩模進(jìn)行光蝕刻。在一個(gè)實(shí)施方式中，雙極板14由之后通過(guò)焊接或粘接之 類(lèi)的任何傳統(tǒng)工藝接合的單極板形成。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，雙極板14還可由復(fù)合材料形成。 在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，雙極板14由石墨或石墨填充聚合物形成。在UEA 12附近布置透 氣擴(kuò)散介質(zhì)34。端板20、22也分別布置在擴(kuò)散介質(zhì)34附近，同時(shí)雙極板14的活性區(qū)26、 28布置在擴(kuò)散介質(zhì)34附近。 雙極板14、單極端板20、22和UEA 12均包括陰極供應(yīng)孔36和陰極排放孔38、冷 卻劑供應(yīng)孔40和冷卻劑排放孔42以及陽(yáng)極供應(yīng)孔44和陽(yáng)極排放孔46。雙極板14、單極 端板20、22和UEA 12中的相應(yīng)孔36、38、40、42、44、46對(duì)準(zhǔn)而形成燃料電池組10的供應(yīng)歧管和排放歧管。氫氣經(jīng)由陽(yáng)極入口導(dǎo)管48供應(yīng)至陽(yáng)極供應(yīng)歧管?？諝饨?jīng)由陰極入口導(dǎo)管 50供應(yīng)至燃料電池組10的陰極供應(yīng)歧管。還為陽(yáng)極排放歧管和陰極排放歧管分別設(shè)有陽(yáng) 極出口導(dǎo)管52和陰極出口導(dǎo)管54。設(shè)置冷卻劑入口導(dǎo)管56，以將液體冷卻劑供應(yīng)至冷卻 劑供應(yīng)歧管。設(shè)置冷卻劑出口導(dǎo)管58，以從冷卻劑排放歧管移除冷卻齊U。應(yīng)當(dāng)理解，圖1中 的各種入口 48、50、56和出口 52、54、58的構(gòu)造用于例示之目的，可按期望選擇其它構(gòu)造。
燃料電池中所用的UEA 12可包括多個(gè)部件。如圖2中所示，UEA12包括陽(yáng)極和陰 極、電解質(zhì)膜60、下墊圈62以及擴(kuò)散介質(zhì)34。在制造UEA 12期間組裝UEA 12的部件，并通 過(guò)熱壓制之類(lèi)的任何傳統(tǒng)工藝過(guò)程使其相互貼附。需要時(shí)可在各個(gè)部件之間使用粘合劑。 為清楚起見(jiàn)，圖1和圖2中的擴(kuò)散介質(zhì)34和電解質(zhì)膜60被線(xiàn)性偏移，以示出電解質(zhì)膜60。
可通過(guò)在電解質(zhì)膜60和擴(kuò)散介質(zhì)34其中之一上布置催化劑墨而形成燃料電池的 陽(yáng)極和陰極?？赏ㄟ^(guò)例如噴涂、浸漬、刷涂、輥轉(zhuǎn)印、狹縫涂布(slot die coating)、凹版涂 布、邁耶棒涂布、貼花紙轉(zhuǎn)印(decaltransfer)以及印刷之類(lèi)的傳統(tǒng)工藝過(guò)程將催化劑墨 施加到部件上。催化劑墨被施加到部件的面向電解質(zhì)膜60的一側(cè)。陽(yáng)極和陰極其中之一 可被稱(chēng)為電極。電解質(zhì)膜60可為由離聚合物形成的膜層。例如以商標(biāo)名Nafion⑧NRE211出售
的全氟磺酸離聚合物是本領(lǐng)域公知的用作燃料電池的電解質(zhì)膜60的典型離聚合物。電解 質(zhì)膜60布置在下墊圈62的第一側(cè)和第二側(cè)其中之一上。與雙極板14和單極端部20、22 的活性區(qū)24、26、28、30基本對(duì)應(yīng)的主下墊圈孔64由電解質(zhì)膜60覆蓋。
下墊圈62可由聚合物膜形成并形成層的形式。作為非限制性實(shí)施例，所述聚合物 膜可以是由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯之一形成的聚合物膜。也可使用 具有電絕緣性質(zhì)的其它薄膜形成下墊圈62。下墊圈62可基本沿雙極板14和單極板20、22 的外周，并具有在其內(nèi)形成的與孔36、38、40、42、44、46對(duì)應(yīng)的多個(gè)副下墊圈孔66。下墊圈 62為電解質(zhì)膜60和擴(kuò)散介質(zhì)34提供安裝表面，并允許雙極板14和單極板20、22其中之一 與相鄰板電絕緣。 如圖3中所示，下墊圈62的具體尺寸對(duì)于提供燃料電池組10的板14、20、22之間 的適當(dāng)密封有可能是重要的。此外，具體尺寸對(duì)于阻礙在UEA 12的壓縮作用下電解質(zhì)膜60 的膨脹和剪切的負(fù)面影響是必需的。本領(lǐng)域中公知下墊圈62的厚度會(huì)影響燃料電池性能， 因此應(yīng)當(dāng)優(yōu)化下墊圈62的厚度。在擴(kuò)散介質(zhì)34和電解質(zhì)膜60之間可形成隆起區(qū)72。隆 起區(qū)72是UEA 12的與活性區(qū)24、26、28、30相比有可能暴露于低壓縮壓力的部分。此外， 隆起區(qū)72有可能以使UEA 12的部件之間缺乏接觸為特征。下墊圈62對(duì)于優(yōu)化UEA 12的 壽命來(lái)說(shuō)有可能太剛硬。在下墊圈62太剛硬的情況下，電解質(zhì)膜60的膨脹會(huì)致使接觸邊 緣74擠壓電解質(zhì)膜60。此外，當(dāng)存在UEA過(guò)壓縮時(shí)，電解質(zhì)膜60的反復(fù)膨脹和收縮會(huì)致使 電解質(zhì)膜60沿接觸邊緣74的過(guò)度磨損。 隆起區(qū)72是在電解質(zhì)膜60的接觸邊緣74、下墊圈62以及擴(kuò)散介質(zhì)34附近形成 的空隙，并具有大致三角形截面形狀。期望使隆起區(qū)72的總體積最小化，以阻礙電解質(zhì)膜 60和擴(kuò)散介質(zhì)34其中之一的過(guò)度磨損及壽命縮短。當(dāng)下墊圈62的厚度太小時(shí)，下墊圈62 會(huì)在不存在擴(kuò)散介質(zhì)34之處受到由氣態(tài)反應(yīng)物流引起的過(guò)度撓曲。當(dāng)過(guò)度撓曲時(shí)，下墊圈 62會(huì)與雙極板14和單極板20、22其中之一的活性區(qū)24、26、28、30連通從而限制氣態(tài)反應(yīng) 物與這些活性區(qū)連通。
7
圖4示出處于潮濕和撓曲或翹曲狀態(tài)的電解質(zhì)膜60。潮濕時(shí)，電解質(zhì)膜60的厚 度、長(zhǎng)度和寬度會(huì)增大。受到其上附接有電解質(zhì)膜60的下墊圈62的限制，電解質(zhì)膜60的 膨脹會(huì)致使電解質(zhì)膜60在隆起區(qū)72內(nèi)鼓起并翹曲。電解質(zhì)膜60擺脫在下墊圈62和活性 區(qū)24、26、28、30的區(qū)域中施加在UEA 12上的基本均勻的壓縮力而不受約束地鼓起至隆起 區(qū)72中。當(dāng)電解質(zhì)膜60翹曲時(shí)，在電解質(zhì)膜60上形成的電極有可能會(huì)碎裂。同樣，電解 質(zhì)膜60的膨脹厚度會(huì)增大接觸邊緣74施加在電解質(zhì)膜60上的壓縮力，從而引起電解質(zhì)膜 60中的磨耗或撕扯。此外，因膨脹的電解質(zhì)膜60而產(chǎn)生的增大壓縮力會(huì)迫使下墊圈62和 擴(kuò)散介質(zhì)34進(jìn)入相鄰燃料電池板，從而引起相鄰的板和擴(kuò)散介質(zhì)34其中之一的磨損。
施加在UEA 12上的壓縮力會(huì)引起類(lèi)似問(wèn)題。所述壓縮力有可能在UEA 12的制造 期間產(chǎn)生或者可在組裝之后存在于燃料電池組10中。壓縮力會(huì)致使電解質(zhì)膜60直至接觸 邊緣74，導(dǎo)致電解質(zhì)膜60變薄。同樣，壓縮力會(huì)致使下墊圈62和擴(kuò)散介質(zhì)34壓靠相鄰燃 料電池板，從而致使相鄰的板和擴(kuò)散介質(zhì)34其中之一磨損。 如圖5和圖6所示，在UEA 12中結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的密封緣76。密封緣76布置在 下墊圈62、擴(kuò)散介質(zhì)34和電解質(zhì)膜60附近。當(dāng)組裝UEA 12的部件時(shí)，密封緣76適于基本 填充隆起區(qū)72。優(yōu)化密封緣76的體積以最小化隆起區(qū)72中的空隙空間而不使下墊圈62 受到過(guò)度撓曲。 擴(kuò)散介質(zhì)34布置在下墊圈62的一側(cè)上，并可由碳纖維或紙之類(lèi)的導(dǎo)電透氣材料 形成。擴(kuò)散介質(zhì)34用作陽(yáng)極和陰極的集電器，并為電解質(zhì)膜60提供機(jī)械支撐。擴(kuò)散介質(zhì) 34所包含的區(qū)域大于主下墊圈孔64的外周，并重疊邊緣起伏(edge relief)。
密封緣76可由離聚合物形成，所述離聚合物例如熱熔粘合劑、b階粘合劑、乙烯 醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和壓敏粘合劑，以及具有類(lèi)似性質(zhì)的其它傳統(tǒng)粘合劑。該離聚合 物可摻雜適于阻礙UEA 12的邊緣部分劣化的添加劑，類(lèi)似于共同擁有的專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào) 11/557,592的摻雜離聚合物，通過(guò)引用將其整體結(jié)合于此。所述添加劑可以是鈰、錳、釩、 鉬、釕、鋯、鎳、鉻、鴇、鈷、鉬和錫中的一種。離聚合物密封緣76中的添加劑可以在約0.02 至約0.3的比值范圍內(nèi)以添加劑中的金屬與離聚合物中的酸的當(dāng)量比被添加。當(dāng)量比定義 為添加劑中的金屬的摩爾當(dāng)量(例如，三摩爾Ce3+)除以離聚合物中的酸的摩爾數(shù)(例如， 一摩爾H+)。添加劑可以以鹽的形式(例如，硝酸鈰、硫酸鈰或碳酸鈰)添加至密封緣76。 將添加劑添加至密封緣76，以將添加劑引向UEA 12的易于劣化的邊緣部分，從而阻礙其劣 化。例如，下墊圈62與電解質(zhì)膜60和擴(kuò)散介質(zhì)34接觸之處的邊緣為UEA 12的易于劣化 的部分。 可以在組裝UEA 12之前利用傳統(tǒng)方法(例如，利用例如注射器)將密封緣76手 動(dòng)施加至擴(kuò)散介質(zhì)34的外周緣。還可利用絲網(wǎng)印刷過(guò)程將密封緣76施加至擴(kuò)散介質(zhì)34。 密封緣76被添加至擴(kuò)散介質(zhì)34的抵靠下墊圈62或與隆起區(qū)74相鄰的各邊緣。密封緣74 可施加至擴(kuò)散介質(zhì)34的一側(cè)(如圖5所示)，或者可在擴(kuò)散介質(zhì)34的每一側(cè)上形成密封緣 74(如圖6所示)。利用熱壓制組裝UEA 12以將其部件結(jié)合在一起。在將UEA 12的部件 熱壓制在一起時(shí)，形成密封緣76的材料軟化，從而在熱壓制期間致使其填充隆起區(qū)72的空 隙空間。通過(guò)填充隆起區(qū)72，在燃料電池操作期間電解質(zhì)膜60的撓曲或翹曲最小化，從而 使得由電解質(zhì)膜60的濕度變化結(jié)果引起的電解質(zhì)膜60上的應(yīng)力最小化并延長(zhǎng)UEA 12的 工作壽命。另選的是，可在組裝并熱壓制UEA 12之前在下墊圈62上形成密封緣76。密封下墊圈62與可移除的基底之間。在熱壓制之前，將該基底移除以露出密封緣76，從而利于密封緣76與電解質(zhì)膜60之間的接觸，以進(jìn)行加熱和熱壓制。還可在組裝期間在下墊圈62定位在電解質(zhì)膜60附近之后，將密封緣76施加至下墊圈62，從而將下墊圈62和電解質(zhì)膜60粘在一起。 盡管為了說(shuō)明本發(fā)明之目的而示出了某些代表性實(shí)施方式和細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)清楚可在不背離本公開(kāi)范圍的情況下進(jìn)行各種變化，本公開(kāi)的范圍在所附權(quán)利要求中進(jìn)一步描述。
權(quán)利要求
一種燃料電池用組合電極組件，該組合電極組件包括電解質(zhì)膜；布置在所述電解質(zhì)膜附近的下墊圈；以及布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜附近的密封緣，所述密封緣適于阻礙所述電解質(zhì)膜在燃料電池操作期間的撓曲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，還包括擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì)具 有布置在所述電解質(zhì)膜附近的第一部分以及布置在所述下墊圈的一部分附近的第二部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣適于填充在所述 擴(kuò)散介質(zhì)、所述密封緣與所述下墊圈之間產(chǎn)生的空隙。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池用組合電極組件，其中通過(guò)熱壓制所述電解質(zhì)膜、 所述下墊圈和所述擴(kuò)散介質(zhì)而組裝該組合電極組件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述下墊圈由聚合物膜形成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣由離聚合物形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述離聚合物為熱熔粘合 劑、b階粘合劑、全氟磺酸、乙烯醋酸乙烯酯、聚偏氟乙烯和壓敏粘合劑中的一種。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣摻雜有添加劑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述添加劑為鈰、錳、釩、鉬、 釕、鋯、鎳、鉻、鴇、鈷、鉬和錫中的一種。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣中的添加劑在 從約0. 02至約0. 3的比值范圍內(nèi)以添加劑中的金屬與離聚合物中的酸的當(dāng)量比被添加。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣在該組合電極 組件的組裝之前形成在所述下墊圈上。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣在該組合電極 組件的組裝期間施加至所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜，以將所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜粘在 一起。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣在該組合電極 組件的組裝之前形成在所述下墊圈與適于從所述密封緣移除的基底之間。
14. 一種燃料電池用組合電極組件，該組合電極組件包括 電解質(zhì)膜；布置在所述電解質(zhì)膜附近的下墊圈；擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì)具有布置在所述電解質(zhì)膜附近的第一部分以及布置在所述下墊 圈的一部分附近的第二部分；以及布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜附近的密封緣，所述密封緣適于通過(guò)填充在所述擴(kuò) 散介質(zhì)、所述密封緣與所述下墊圈之間形成的空隙而阻礙所述電解質(zhì)膜在燃料電池操作期 間的撓曲。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣由熱熔粘合 劑、b階粘合齊U、全氟磺酸、乙烯醋酸乙烯S旨、聚偏氟乙烯和壓敏粘合劑中的一種形成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃料電池用組合電極組件，其中所述密封緣摻雜有鈰、錳、 釩、鉬、釕、鋯、鎳、鉻、鴇、鈷、鉬和錫中的一種。
17. —種形成燃料電池用組合電極組件的方法，該方法包括以下步驟 設(shè)置電解質(zhì)膜；設(shè)置布置在所述電解質(zhì)膜附近的下墊圈；設(shè)置擴(kuò)散介質(zhì)，該擴(kuò)散介質(zhì)具有布置在所述電解質(zhì)膜附近的第一部分以及布置在所述 下墊圈的一部分附近的第二部分；設(shè)置布置在所述下墊圈和所述電解質(zhì)膜附近的密封緣，所述密封緣適于阻礙所述電解 質(zhì)膜在燃料電池操作期間的撓曲；以及熱壓制組裝起來(lái)的膜、下墊圈、擴(kuò)散介質(zhì)和密封緣，其中在熱壓制期間由所述密封緣填 充組裝起來(lái)的膜、擴(kuò)散介質(zhì)和下墊圈產(chǎn)生的空隙。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述組合電極組件的組裝期間在所述下墊 圈和所述膜附近形成所述密封緣，從而將所述下墊圈和所述膜粘在一起的步驟。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括在所述組合電極組件的組裝之前在所述下墊 圈與適于從所述密封緣移除的基底之間形成所述密封緣的步驟。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述組合電極組件的組裝之前，在所述下墊 圈與所述膜的其中之一上形成所述密封緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用離聚合物阻礙隆起區(qū)中的膜翹曲，公開(kāi)了一種燃料電池用組合電極組件，其包括電解質(zhì)膜、下墊圈和布置在二者之間的密封緣。所述密封緣適于填充膜與下墊圈之間形成的隆起區(qū)，從而通過(guò)阻礙燃料電池使用期間膜膨脹的磨損而最大化電解質(zhì)膜的工作壽命。
文檔編號(hào)H01M4/88GK101752576SQ20091020906
公開(kāi)日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者C·S·吉特爾曼, D·A·波多拉施, H·維納, R·佩奇托爾德, S·L·彼得斯, W·馬卡 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作公司